LED背光源亮度均匀性的影响分析
中心议题：
- LED背光源的电路模型
- 偏置电阻对LED 背光源亮度均匀性的影响
- LED 的发光亮度对亮度均匀性的影响
1 引言
LED 正成为背光照明的主流器件。一般背光源设计中有多个LED，所以要考虑各个LED 亮度的一致性。在实际应用中，可根据向电压（Vf）对LED 器件进行“差异筛选”.LED 的Vf 值是背光设计的重要变数。将多个LED 连接在一起使用时，各管电流均必须匹配，整个组件才能产生一致的亮度。
LED 的亮度决定于流过它的电流。实现恒定电流最简单的方法，是将多个LED 串联起来。这样不用差异筛选，串联LED 就能确保流过各个LED 的电流相同。但是串联时的总体正向电压为多个LED 的Vf 之和，需要使用带电感的具有升压功能的LED 驱动电路，使得成本增加。而且，一个LED 发生故障就会使整个背光源失效。此外，串联驱动方法有较强的电磁干扰， 对通讯产品尤其不利。
将多个LED 并联的设计方法，无需带电感的升压电路，电磁干扰较小，容错性较强。但为了保证亮度的均匀性，必须对LED 进行差异筛选。随着所用LED 数量的增加，成本也会因差异筛选而增加。即使经过差异筛选，LED 的Vf 值仍会存在一个变化范围，影响亮度的均匀性。
本文重点讨论在LED 并联设计中，如何提高亮度的均匀性。
2 LED 背光源电路模型
将三个LED 并联构成背光源， 其总电流由三极管电路控制， 如图1 所示。亮度均匀性的NLED 被定义为：
式中，Imax 和Imin 为各个LED 电流的最大值和最小值；
图1 LED 背光源的驱动电路
图中， D1， D2， D3 为发光二极管， T1 为NPN 型三极管， R1 ， R2 ， R3 的阻值可根据总电流I 的设计要求进行调节， I/O 或DAC 为控制端口。
理想发光二极管的正向电压为：
实际上， 寄生电阻对Vf 影响很大：
式中： I 为正向电流；n 为理想因子；k 为玻尔兹曼常数（1.38x10- 23 J /K） ; T 为温度（ 298K 或25℃） ;q 为电子电量（ 1.602x10- 19 C） ;Is 为饱和电流； R 为寄生电阻；本文以西铁成公司的发光二极管为例， 其特性参数如表1 所示。
表1 发光二极管特性参数
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依据式（2） ，使用对分法［2］计算出在不同正向电压下，三种LED 的正向电流，如图2 所示。
图2 不同LED的正向电压与电流的关系
由图2 可以看出，在相同的电压下，不同LED 的电流不同， 即亮度不同。LED 都有其额定电流，西铁城LED 的额定电流为20mA，所以本文给出了20mA以内的数据。
3 偏置电阻对LED 背光源亮度均匀性的影响
在实际设计中，利用外加偏置电阻，即在每个LED 处串联一个电阻来改善LED 背光源的亮度均匀性。本文讨论两个LED 并联，加偏置电阻R4=R5的情况， 如图3 所示。
图3 加偏置电阻的电路图
计算机利用对分法算出了在总电流为15mA，外加偏置电阻（R）为R4=R5=0 ， 22 ， 47 ， 68 ， 100 ， 150， 200 （Ω） 时， D1 和D2 的电流（ I1 和I2） 、亮度均匀性（ Uni）、正向电压（V5） 、以及偏置电阻带来的功耗（P）。
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计算结果如表2 及图4、图5 所示。
表2 不同偏置电阻的计算结果
图4 偏置电阻对亮度均匀性的影响
图5 偏置电阻对功耗及供电电压的影响
由表2 和图4、5 可以看出，外加偏置电阻可以显着提高亮度的均匀性， 但电路的功耗会相应增加，对LED 正向电压的要求会增大。例如，外加150Ω偏置电阻时，其耗散功率为17mW，V5 为3.104V。
对于锂电池而言， 一般工作电压范围为3.0~4.2V，再考虑三极管的偏置电压，因此，外加150Ω 偏置电阻是不能接受的。设计中要根据具体的供电电压来确定偏置电阻的值。
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4 LED 的发光亮度对亮度均匀性的影响
根据式（2），也可以通过改变LED 的发光亮度来改善LED 背光源的亮度均匀性，即通过改变系统的总电流来改善亮度的均匀性。本文讨论两个LED并联，且外加68Ω偏置电阻的情况，结果如表3 及图6 所示。
图6 由外加偏置电阻改变系统总电流对亮度均匀性的影响
由表3 和图6 可以看出，外加68Ω 偏置电阻使亮度降低，可以适当提高亮度的均匀性。在实际设计中，可利用本文所述方法进行模拟计算。
5 结论
本文讨论了偏置电阻、和发光亮度对LED 亮度均匀性的影响。随着偏置电阻值的增加、亮度的减小，LED 背光源的亮度均匀性会提高。实际设计中要兼顾偏置电阻的功耗、发光亮度和供电电压等的要求。
